The Particulate Matter Source Apportionment Technology (PSAT) is used together with PMCAMx, a regional chemical transport model, to estimate how local emissions and pollutant transport affect primary and secondary particulate matter concentration levels in European megacities such as Paris, London and Po Valley. The case of Paris megacity was investigated in detail. During the summer and the winter period examined, only 13% of the PM2.5 is due to local Paris emissions, with 36% due to mid range (within 500 km from the center of the Paris) sources and 51% resulting from long range transport (more than 500 km from the center of the Paris). The local emissions contribution to elemental carbon (EC) is significant, with almost 60% of the EC originating from local sources during both summer and winter. Approximately 50% of the fresh primary organic aerosol (POA) originated from local sources and another 45% from areas 100-500 km from the receptor region during summer. Regional sources dominated the secondary PM components. More than 70% of the sulfate originated from SO2 emitted more than 500 km away from the center of the Paris. Also more than 45% of secondary organic aerosol (SOA) was due to the oxidation of VOC precursors that were emitted 100-500 km from the center of the Paris. Long range sources are more important during winter because the photochemical activity is lower. PSAT results for contributions of local and regional sources were also compared with observation-based estimates from field campaigns that took place during the MEGAPOLI project. PSAT predictions are in general consistent with these estimates OA and sulfate but PSAT predicts lower transported EC for both seasons. / Ο καταμεριστικός αλγόριθμος ατμοσφαιρικών σωματιδίων (PSAT, Particulate Matter Source Apportionment Technology) χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με το τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς PMCAMx με σκοπό να εκτιμήσει κατά πόσο οι τοπικές εκπομπές και η μεταφορά της ρύπανσης επηρεάζουν τα πρωτογενή και τα δευτερογενή επίπεδα σωματιδιακών συγκεντρώσεων σε Ευρωπαϊκές μεγαλουπόλεις όπως το Παρίσι, το Λονδίνο και η κοιλάδα του ποταμού Πάδου στη βόρεια Ιταλία (Po Valley). Η περίπτωση του Παρισιού μελετήθηκε λεπτομερώς. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και του χειμώνα που εξετάστηκε, μόνο το 13% των PΜ2.5 σωματιδίων προέρχονται από τοπικές πηγές, 36% προέρχεται από ενδιάμεσες πηγές (μεταξύ 500 km από το κέντρο του Παρισιού) και 51% από απομακρυσμένες περιοχές (σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 500 km από το κέντρο του Παρισιού). Η συνεισφορά των τοπικών πηγών στο στοιχειακό άνθρακα είναι σημαντική, 60% περίπου του στοιχειακού άνθρακα προέρχεται από τοπικές πηγές κατά τη διάρκεια τόσο του καλοκαιριού όσο και του χειμώνα. Σχεδόν 50% των φρέσκων πρωτογενών οργανικών σωματιδίων (POA) προέρχονται από τοπικές πηγές και 45% από περιοχές 100-500 km από των αποδέκτη κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Οι συνεισφορά από απομακρυσμένες περιοχές κυριαρχεί στα δευτερογενή σωματίδια. Περισσότερο από 70% των θεϊκών σωματιδίων προέρχεται από διοξείδιο του θείου το οποίο εκπέμπεται από αποστάσεις μεγαλύτερες των 500 km από το κέντρο του Παρισιού. Επίσης περισσότερο από το 45% των δευτερογενών οργανικών σωματιδίων οφείλεται στην οξείδωση των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) που εκπέμπονται από 100 έως 500 km μακριά από το κέντρο του Παρισιού. Οι απομακρυσμένες περιοχές είναι πιο σημαντικές κατά τη διάρκεια του χειμώνα λόγω της ελάχιστης φωτοχημείας. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τον αλγόριθμο PSAT για τις συνεισφορές των τοπικών όσο και των απομακρυσμένων περιοχών επίσης συγκρίνονται με μετρήσεις πεδίου από πειραματικές διατάξεις στο πλαίσιο του διεθνούς προγράμματος MEGAPOLI. Ο αλγόριθμος PSAT προβλέπει γενικά ικανοποιητικά τις συνεισφορές σε σχέση με αυτές που υπολογίστηκαν από τις μετρήσεις πεδίου.

Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία πραγματεύεται την εισαγωγή ενός νέου πεδίου πεμπτουσίας, η ενέργεια του οποίου ταυτίζεται με το ενεργειακό απόθεμα της σκοτεινής ενέργειας του σύμπαντος. Η εισαγωγή ενός τέτοιου πεδίου αποτελεί εναλλακτική λύση στην προσπάθεια ερμηνείας της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος που συνδέεται συνήθως με την κοσμολογική σταθερά Λ, των πεδιακών εξισώσεων Άινσταϊν. Παρότι έχουν προταθεί και άλλα μοντέλα πεδίων πεμπτουσίας, το συγκεκριμένο χαρακτηρίζεται από μία ιδιότητα που δεν επιτρέπει την εκτεταμένη παραβίαση της Αρχής της Ισοδυναμίας, που αποτελεί θεμελιώδη παραδοχή στην οποία στηρίζεται η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Η μάζα των αντίστοιχων σωματιδίων εξαρτάται από την πυκνότητα ύλης σε κάθε περιοχή του σύμπαντος, εξ ου και το όνομα χαμαιλέοντες. Αφορμή για την εισαγωγή ενός τέτοιου πεδίου είναι η επιβεβαίωση της Αρχής της Ισοδυναμίας μέχρι κάποιο συγκεκριμένο όριο, πέραν του οποίου επιτρέπεται η εισαγωγή νέων μοντέλων αλληλεπιδράσεων που δεν έγιναν ακόμα αντιληπτές σε πληθώρα πειραμάτων. Όλα τα προηγούμενα αναφέρονται εν συντομία στο εισαγωγικό πρώτο κεφάλαιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση της Αρχής της Ισοδυναμίας και του βαθμού παραβίασης της ο οποίος καθορίζει την ένταση της νέας θεμελιώδους δύναμης (fifth-force). Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται μια ανασκόπηση του καθιερωμένου κοσμολογικού μοντέλου για το σύμπαν, που από παρατηρήσεις χαρακτηρίζεται από ομοιογένεια, ισοτροπία και σχεδόν επίπεδη γεωμετρία (WMAP-7). Με αυτά τα δεδομένα, καθώς και με τα πρόσφατα αποτελέσματα για ένα επιταχυνόμενα διαστελλόμενο σύμπαν προκύπτει η ανάγκη ύπαρξης ενός πεδίου με τα χαρακτηριστικά ενός σκοτεινού υγρού αρνητικής πίεσης και μάζας σε κοσμολογικές κλίμακες, της τάξης της σταθεράς Hubble στο παρόν (m_\phi\sim H_0\sim 10^{-33}eV). Η ανάγκη ύπαρξης ενός τέτοιου πεδίου (πάντα ως εναλλακτική της κοσμολογικής σταθεράς) παντού στο σύμπαν σε συνδυασμό με την μη ανίχνευση του μέχρι στιγμής σε κανένα πείραμα ή παρατήρηση, συνυπάρχουν στο μοντέλο των Khoury-Weltman για τα σωματίδια χαμαιλέοντες που εξετάζεται στο κεφάλαιο τέσσερα. Επειδή η μάζα του πεδίου εξαρτάται από την τοπική πυκνότητα ύλης, στη Γη η χαμαιλεοντική αλληλεπίδραση έχει πολύ μικρή εμβέλεια σε αντίθεση με την εμβέλεια σε κοσμολογικές κλίμακες και δεν γίνεται αντιληπτή. Επιπλέον η συνεισφορά στην αλληλεπίδραση σε ένα σώμα εκτός Γης από όλο τον όγκο της Γης είναι ελάχιστη και περιλαμβάνει μόνο αυτήν που προκαλείται από ένα λεπτό φλοιό στην επιφάνεια, όπου η τοπική πυκνότητα ύλης ελαττώνεται (thin-shell effect). Η νέα δύναμη το δυναμικό της οποίας είναι της μορφής Yukawa, θα είναι ασθενέστερη τουλάχιστον κατά τρεις τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με τη βαρύτητας πειράματα στη Γη. Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση του CAST (Cern Solar Axion Telescope), στο οποίο θα μπορούσαν να ανιχνευτούν τα σωματίδια χαμαιλέοντες, λαμβάνοντας υπόψη την επέκταση του μοντέλου ώστε να περιλαμβάνει και ζεύξη με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο πέραν των πεδίων της ύλης. Οι χαμαιλέοντες που παράγονται από φωτόνια παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου στο θερμό πλάσμα του Ήλιου, φτάνουν στη Γη έχοντας ενέργεια της τάξης του 1keV και μπορούν να εισχωρήσουν στο εσωτερικό του μαγνήτη του CAST. Ο ισχυρός μαγνήτης του πειράματος που είναι ιδίου τύπου με αυτούς που απαρτίζουν τον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC), δημιουργεί μαγνητικό πεδίο της τάξης των 9Τ. Στο εσωτερικό του, οι χαμαιλέοντες θα μπορούσαν να επαναμετατραπούν σε φωτόνια και να ταυτοποιηθούν. Επιπλέον, ένα μικρό ποσοστό των χαμαιλεόντων που αφήνουν την επιφάνεια του Ήλιου μπορούν να μετατραπούν πίσω σε φωτόνια εξαιτίας των μαγνητικών πεδίων πάνω από τη φωτόσφαιρα. Αυτά τα φωτόνια θα έχουν φάσμα ενέργειας που κορυφώνεται στην περιοχή των μαλακών ακτίνων-Χ, οπότε θα δίνουν λύση στο πρόβλημα θέρμανσης του ηλιακού στέμματος (solar corona problem). / In the present Thesis, we review the chameleon field model and its discovery potential at CAST (Cern Axion Solar Telescope). The introduction of this new scalar field, of the so called quintessence type, is an alternative way of modeling the ubiquitous dark energy in the Universe, which drives its accelerated expansion. Moreover, the coupling of chameleons to photons enriches their discovery potential by experiments already operating such as CAST. Due to the fact that the mass of the field depends on the local matter density, in a dense environment such as the earth's surface the chameleon particle becomes heavy and undetectable. On the contrary, in cosmological scales the mass of the field is reduced to values related to the present Hubble's constant value (m_\phi\sim H_0\sim 10^{-33}eV) in order to coincide with the dark energy budget. This Thesis is organized in five chapters. The first chapter serves as a quick introduction to the subject of the current Thesis and the reasons for introducing a new field are stated. The second chapter refers to the Principle of Equivalence (E.P), a foundational principle of Einstein's General Relativity. It states that the gravitational mass of a freely falling body is proportional to its inertial mass. The level of verification of the former principle is of crucial importance for the characteristics of a quintessence field. If the E.P is not valid below a certain length scale, then the introduction of a quintessence field also implies the excistence of a new fundamental force in nature (fifth-force). In the third chapter, a small review of the standard cosmological model is made, which in combination with the results for an accelerated universe, leads to the necessity of introducing a new form of energy, dark energy. This form of energy behaves like a dark fluid of negative pressure (repulsive force) that tends to expand spacetime. It is modeled by adding the cosmological constant Λ, in Einstein's field equations or by introducing quintessence fields as the case of this Thesis. As already mentioned, the excistence of a quintessence field yields to violation of the Equivalence Principle. To overcome an extensive violation of the E.P the chameleon model is ``equipped'' by the peculiar property of its mass dependance on the environmental density. A second phenomenon related to the former property and the suppression of the E.P violation, is the ``Thin Shell Effect''. It simply states that the chameleonic profile of a large object is suppresed inside its bulk, and only a thin shell near its surface produces the chameleon force which is exerted on other massive bodies. This effect interprets the weakness and to date not discovered possible fifth-force. The fourth chapter ends up with a discussion on the fifth-force mediated by the chameleon particle. It is estimated that if such force exists, is about 3 orders-of-magnitude weaker than gravity. In the final chapter of this Thesis, the CAST experiment is presented. CAST has been operating for over ten years, searching for axions emitted by the Sun. It is believed that photons can oscillate to chameleons in the presence of a strong magnetic field in the Sun, travel through space and reach the Earth's surface where they can reconvert to photons inside the helioscope's pipe. The spectrum of the chameleons reaching the Earth is peaked at sub-keV region. Furthermore a small part of the chameleons leaving the Sun are converted back to photons over the photosphere due to the magnetic fields present there. These photons have energy lying in the soft X-ray region, hence addressing the solar corona problem.

Atmospheric aerosol is an important component of our atmosphere influencing human health, regional and global atmospheric chemistry and climate. The organic component of submicron aerosol contributes around 50% of its mass and is a complex mixture of tens of thousands of compounds. Real-time aerosol mass spectrometry was the major measurement tool used in this work. The Aerodyne High Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) can quantitatively measure the chemical composition and size distribution of non-refractory submicron aerosol (NR-PM1). The mass spectra provided by the instrument every few minutes contain information about aerosol sources and processes. This thesis uses the HR-ToF-AMS measurements in two areas of Greece to quantify the contributions of organic aerosol sources to the corresponding organic aerosol levels. Local and regional air pollution sources were monitored and characterized in two sites during intensive campaigns. The first campaign took place during the fall of 2011 (September 24 to October 23) in Finokalia, Crete, a remote-background coastal site without any major human activity. The aim of the study was to quantify the extent of oxidation of the organic aerosol (OA) during autumn, a season neither too hot nor cold, with reduced solar radiation in comparison to summer. The second one took place during the winter of 2012 (February 26 to March 5), in the third major city of Greece, Patras. The measurements were conducted in the campus of the Technological Educational Institute of Patras (TEI), in order to quantify the severity of the wintertime air pollution problem in the area and its sources. The contributions of traffic and residential wood burning were the foci of that study. The Finokalia site is isolated and far away from anthropogenic sources of pollution, making it ideal for the study of organic aerosol coming from different directions, usually exposed to high levels of atmospheric oxidants. The fine PM measured during the Finokalia Atmospheric Measurement Experiment (FAME-11) by the AMS and a Multi Angle Absorption Photometer (MAAP) was mostly ammonium sulfate and bisulfate (60%), organic compounds (34%), and BC (5%). The aerosol sampled originated mainly from Turkey during the first days of the study, but also from Athens and Northern Greece during the last days of the campaign. By performing Positive Matrix Factorization (PMF) analysis on the AMS organic spectra for the whole dataset the organic aerosol (OA) composition could be explained by two components: a low volatility factor (LV-OOA) and a semi-volatile one (SV-OOA). Hydrocarbon-like organic aerosol (HOA) was not present, consistent with the lack of strong local sources. The second field campaign took place in the suburbs of the city of Patras, 4 km away from the city center during the winter of 2012. During this 10-day campaign, organics were responsible for 70% during the day and 80% during the evening of the total PM1. The OA mean concentration during that period was approximately 20 μg m-3 and reaching hourly maximum values as high as 85 μg m-3. Sulfate ions and black carbon followed with 10% and 7% of the PM1. PMF analysis of the organic mass spectra of PM1 explained the OA observations with four sources: cooking (COA), traffic (HOA), biomass burning (BBOA), and oxygenated aerosol (OOA), related to secondary formation and long range transport. On average, BBOA represented 58% of the total OM, followed by OOA with 18%, COA and HOA, with the last two contributing of the same percentage (12%). / --

Η χωρική και χρονική κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων επηρεάζεται σημαντικά από τις τοπικές πηγές ρύπανσης αλλά και από την ατμοσφαιρική κυκλοφορία. Στην εργασία επιχειρήθηκε η μελέτη των επιπέδων του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων στην Ελλάδα, με έμφαση στη συνεισφορά των τοπικών πηγών ρύπανσης. Συγκεκριμένα, στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε: 1. ανάλυση δορυφορικών δεδομένων και παρουσίαση των επιπέδων και των πιθανών τάσεων του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας 2. σύγκριση των επιπέδων του οπτικού βάθους μεταξύ επιβαρημένων περιοχών, όπως μεγάλα αστικά κέντρα και περιοχές όπου λειτουργούν μεγάλες βιομηχανικές μονάδες, σε σχέση με περιοχές όπου η επίδραση των τοπικών πηγών ρύπανση είναι πολύ μικρή 3. εκτίμηση της συνεισφοράς των τοπικών πηγών ρύπανσης στα προαναφερόμενα αποτελέσματα 4. σύγκριση των δορυφορικών δεδομένων με επίγεια Η μελέτη των παραπάνω αντικειμένων έγινε χρησιμοποιώντας εκτιμήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων από το όργανο MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectoradiometer) που βρίσκεται στους δορυφόρους Terra και Aqua. Τα δεδομένα καλύπτουν τη χρονική περίοδο 9 ετών (από Φεβρουάριο 2000 έως Σεπτέμβριο 2009) για το διαστημικό σκάφος Terra και 7 ετών (από Ιούλιο 2002 έως Σεπτέμβριο 2009) για το Aqua. Οι χρονικές στιγμές διέλευσης των δορυφόρων Terra και Aqua πάνω από την Ελλάδα είναι 9.35±0.50 UTC και 11.34±0.53 UTC αντίστοιχα. Η μέση τιμή του οπτικού βάθους (AOD550), για όλη την Ελλάδα είναι 0.20±0.07 και 0.19±0.06, από τους δορυφόρους Terra και Aqua αντίστοιχα. Ο συντελεστής γραμμικής συσχέτισης των δεδομένων AOD550 μεταξύ των δορυφορικών μετρήσεων MODIS/Terra και MODIS/Aqua είναι ίσος με 0.81. Στην χρονοσειρά των οπτικών βαθών παρατηρήθηκε μία εποχική διακύμανση με τις μέγιστες τιμές να εμφανίζονται κατά τους πρώτους ανοιξιάτικους μήνες και το καλοκαίρι. Η εποχικότητα αυτή αποδόθηκε στο αυξημένο σωματιδιακό φορτίο που παρατηρείται στην ελεύθερη τροπόσφαιρα τις συγκεκριμένες χρονικές περιόδους λόγω μεταφοράς ερημικής σκόνης από την Σαχάρα, αλλά και λόγω μεταφοράς αιωρούμενων από καύση βιομάζας που παρατηρούνται συχνά κατά τον Αύγουστο, όπως και στους επικρατούντες Βορειανατολικούς ανέμους κατά τους καλοκαιρινούς μήνες που μεταφέρουν σωματιδιακή ρύπανση από ρυπασμένες περιοχές όπως τα Ανατολικά Βαλκάνια. Γενικά, οι μεγαλύτερες τιμές AOD550 εμφανίζονται στις αστικές περιοχές όπου υπάρχουν έντονες ανθρωπογενείς δραστηριότητες, όπως οι περιοχές της Αττικής και της Θεσσαλονίκης. Παρατηρείται ότι το 50-55% περίπου του εκτιμώμενου οπτικού βάθους οφείλεται σε ανθρωπογενείς πηγές ρύπανσης, ενώ το υπόλοιπο αναμένεται να οφείλεται σε φαινόμενα διασυνοριακής ρύπανσης. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχουν τα αποτελέσματα για την περιοχή της Πτολεμαΐδας και της κεντρικής Πελοποννήσου. Εκεί, τα επίπεδα των τοπικών πηγών ρύπανσης που φαίνονται από τον Aqua και συνεισφέρουν στο συνολικό οπτικό βάθος των αιωρούμενων σωματιδίων είναι πολύ μεγαλύτερα σε σχέση με αυτά του Terra κατά +37.9% και +70.6% αντίστοιχα. Τις μεσημεριανές ώρες που διέρχεται ο δορυφόρος Aqua, η ατμόσφαιρα της ευρύτερης περιοχής της Πτολεμαΐδας και της κεντρικής Πελοποννήσου έχει πιθανώς επιφορτιστεί από αιωρούμενα σωματίδια, λόγω της εντατικής λειτουργίας των εργοστασίων ηλεκτρικής ενέργειας. Για αυτό το λόγο, τα επίπεδα τοπικών πηγών ρύπανσης του Aqua είναι μεγαλύτερα από αυτά του δορυφόρου Terra, ο οποίος διέρχεται πάνω από την Ελλάδα τις πρωινές ώρες. Για την περιοχή της Θεσσαλονίκης συγκρίθηκαν δορυφορικά δεδομένα MODIS με επίγειες μετρήσεις PM10 και PM2.5. Συγκρίνοντας το AOD550 με το PM10 δεν διακρίνεται ιδιαίτερη συσχέτιση μεταξύ αυτών. Μάλιστα, τα μέγιστα του AOD550 εμφανίζονται την άνοιξη και το καλοκαίρι ενώ τα αντίστοιχα μέγιστα των PM10 το φθινόπωρο και τον χειμώνα. Ομοίως οι ελάχιστες τιμές του AOD550 υπάρχουν το φθινόπωρο και το χειμώνα ενώ των PM10 την άνοιξη και το καλοκαίρι. Το γεγονός αυτό βασίζεται στο ότι, εντός των ορίων του Δήμου Θεσσαλονίκης, η βασική πηγή ρύπανσης είναι η κυκλοφορία των αυτοκινήτων. Επειδή κατά τους καλοκαιρινούς μήνες ο κυκλοφοριακός φόρτος είναι περιορισμένος, αναμένεται να είναι μικρότερες και οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων. / The spatial and temporal distribution of particulate matter is strongly influenced by local sources and the atmospheric circulation in the wider region. In this study, the levels of the optical depth of aerosols in Greece are examined, as well as the contribution of local sources on pollution. The following essential steps were followed: 1. Data analysis and possible trends of the aerosol optical depth over various regions of Greece 2. Comparison of the aerosol optical depth values among polluted regions, such as large cities and areas with increased industrial activity, and regions where the influence of local sources of pollution is very small 3. Estimation of the contribution of local sources of pollution in the above mentioned results. 4. Comparison of satellite estimations with ground based data. The study was based on the dataset of aerosol optical properties from the MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectoradiometer) instrument, located on Terra and Aqua satellites. The dataset covers a 9-year time period (February 2000 - September 2009) on the Terra spacecraft and 7 years (July 2002 - September 2009) on Aqua. The overpass times of the satellites Terra and Aqua above Greece are 9.35 ± 0.50 UTC and 11.34 ± 0.53 UTC, respectively. The average optical depth (AOD550) over Greece is 0.20±0.07 and 0.19±0.06, from the Terra and Aqua satellites respectively. The linear correlation coefficient between the satellite estimations of AOD550 from MODIS/Terra and MODIS/Aqua is 0.81. The time series analysis of aerosol optical depth reveals a seasonal variation with maximum levels occurring during March and April and during summertime. The seasonality could be attributed to the increased particulate matter of Sahara desert dust in the free troposphere and the transport of biomass burning during August, when the prevailing North East winds carry particulate matter from air polluted sites like the East Balkans. Generally, the higher AOD550 values appear in urban areas, such as the regions of Attica and Thessaloniki. Finally, it appears that 50-55% of the estimated optical depth could be attributed to anthropogenic sources. The results for the area of Ptolemais and central Peloponnese were examined thoroughly. Over those regions, the levels of local pollution sources that appear from Aqua, are much higher than those of Terra by +37.9% and +70.6% respectively. During the midday hours, when the Aqua satellite passes over the wider area of Ptolemais and central Peloponnese, the increased particulate matter could be attributed to the intensive operation of power plants. For this reason, the levels of local air pollution sources, observed from Aqua, are higher than those of Terra satellite, which passes over the sites in the early morning. For the region of Thessaloniki, the MODIS satellite data compared with ground based measurements of PM10 and PM2.5. When comparing AOD550 with PM10, there is no distinguished direct relation between them. On the contrary, the maximum satellite values of AOD550 appear during spring and summer, while the corresponding maximum values of PM10 are measured during autumn and winter. Likewise, the minimum AOD550 values appear in autumn and winter, while the PM10 appear during spring and summer. This is probably based on the fact that, in the limit area of the city of Thessalonica, the main source of pollution is car traffic. So, during summer months, when the traffic is low, the concentrations of particulate matter are expected to be lower.

The Aerosol Mass Spectroscopy (AMS) is a recently developed method that provides on-line measurements of the chemical composition, mass spectrum and mass distributions of the atmospheric aerosol. Using the AMS with a thermodenuder in smog chamber experiments of ozonolysis of α-pinene, β-pinene and limonene, the mass spectrum of the secondary organic aerosols (SOA) is deconvoluted in low, medium and high volatility mass spectra. The spectrum of the surrogate component with the lower volatility for α-pinene and β-pinene is quite similar to that of ambient oxygenated organic aerosol (OOA). This could explain part of the difference between the AMS mass spectrum in the lab and the field. Combining an AMS and a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) in smog chamber experiments of α-pinene, β-pinene and limonene ozonolysis, the density of the SOA is calculated and estimated between 1.4 and 1.65 g cm-3. This high density implies that the SOA is likely in a solid or a waxy state. The method is applied on field measurements at Finokalia, Crete during the FAME. For the summer campaign (FAME-08) the organic density is in the range of 0.8 and 1.8 g cm-3 with a mean value of 1.35±0.22 g cm-3¬, while for the winter (FAME-09) the average organic density is 1.14±0.36 g cm-3. This technique can also calculate the Collection Efficiency (CE) of the AMS, since AMS does not measure all the particles that enter the instrument. Applying the estimated CE, the AMS is in a good agreement with other instrumentation. The CE and the organic density of the thermodenuded samples are calculated as well. The CE and the organic density both for the ambient and the themodenuded samples are used as post corrections in the volatility estimation. For FAME-08 the organic aerosol is one order of magnitude less volatile than laboratory-generated α-pinene SOA. Furthermore they are highly oxidized due to the photochemistry conditions (especially in the summer) and the station location (away from detectable sources of pollution). Finally, modifying the steam-jet aerosol collector (SJAC) method both particulate and gas phase of the main inorganic species can be measured. Testing the approach at ambient conditions at the ICE-FORTH Institute, we were able to measure together with the inorganic aerosol composition the gas-phase concentrations of NH3, HONO and very low HNO¬3. The results are consistent with the predictions of the thermodynamic model ISORROPIA. / Τα αεροζόλ είναι σωματίδια που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Η Φασματομετρία Μάζας Αεροζόλ (AMS) είναι μία νέα μέθοδος που μπορεί να δώσει ταυτόχρονα και σε πραγματικό χρόνο τη χημική σύσταση, το φάσμα μάζας και τις κατανομές μάζας των ατμοσφαιρικών σωματιδίων. Χρησιμοποιώντας το AMS με έναν θερμικό απογυμνωτή σε πειράματα οζονόλυσης α-πινενίου, β-πινενίου και λεμονενίου σε περιβαλλοντικό θάλαμο, το φάσμα μάζας των δευτερογενών οργανικών σωματιδίων (SOΑ) αναλύεται σε 3 επιμέρους φάσματα, ανάλογα με την πτητικότητα των οργανικών σωματιδίων. Το φάσμα που αντιστοιχεί στις ενώσεις με τη χαμηλότερη πτητικότητα για το α- και β-πινένιο είναι αρκετά όμοιο με αυτό των οξυγονωμένων οργανικών σωματιδίων (ΟΟΑ) από το περιβάλλον. Αυτό εξηγεί και μέρος της διαφοράς του φάσματος μάζας AMS μεταξύ εργαστηρίου και πεδίου. Συνδυάζοντας το AMS με ένα σαρωτή μεγέθους κινούμενων σωματιδίων (SMPS) υπολογίζεται η πυκνότητα των SOA από οζονόλυση α-πινενίου, β-πινενίου και λεμονενίου μεταξύ 1.4 και 1.65 g cm-3. Η σχετικά υψηλή τιμή της πυκνότητας μάλλον σημαίνει ότι τα παραγόμενα σωματίδια είναι στερεά ή κερώδη.Η παραπάνω μέθοδος εφαρμόζεται σε μετρήσεις πεδίου στη Φινοκαλιά, στην Κρήτη (FAME). Για το FAME-08 (καλοκαίρι) η πυκνότητα των οργανικών σωματιδίων είναι μεταξύ 0.8 και 1.8 g cm-3 με μέση τιμή 1.35±0.22 g cm-3, ενώ για το FAME-09 (χειμώνας) η μέση τιμή είναι 1.14±0.36 g cm-3. Η τεχνική αυτή υπολογίζει και το ποσοστό συλλογής (CE) σωματιδίων του AMS, καθώς το AMS μετράει ένα ποσοστό αυτών. Εφαρμόζοντας την CE που υπολογίζεται, η συμφωνία μεταξύ του AMS και άλλων οργάνων είναι αρκετά καλή. Υπολογίζεται επίσης η CE και η πυκνότητα των οργανικών για τα δείγματα που έχουν θερμανθεί στον θερμικό απογυμνωτή. Οι CE και οι οργανικές πυκνότητες χρησιμοποιούνται ως διορθώσεις για την αποφυγή υποεκτίμησης της πτητικότητας του οργανικού αεροζόλ. Για το FAME-08 οι οργανικές ενώσεις είναι περισσότερο από μία τάξη μεγέθους λιγότερο πτητικές από τα SOA που δημιουργούνται σε συνθήκες εργαστηρίου. Επίσης είναι υψηλά οξειδωμένες λόγω της φωτοχημείας (καλοκαίρι) και της τοποθεσίας της δειγματοληψίας (μακριά από πρωτογενείς ρύπους). Τέλος τροποποιώντας τη μέθοδο δειγματοληψίας υγροποιημένων σωματιδίων (SJAC) είναι δυνατό να μετρηθεί και η σωματιδιακή αλλά και η αέρια φάση των κυρίως ανόργανων ενώσεων. Πειράματα που έγιναν από δειγματοληψία στο ΕΙΧΗΜΥΘ δείχνουν την ύπαρξη ΝΗ3 αλλά σχεδόν μηδενικού ΗΝΟ3. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με ένα θερμοδυναμικό μοντέλο (ISΟRROPIA) και η συμφωνία είναι καλή.

The scope of this dissertation was to enhance our knowledge regarding the potential effects that emissions and climate change could have on air pollutants (e.g., particulate matter, ozone, Hg), in order to design effective strategies for improving air quality. A 3-D chemical transport model, PMCAMx-2008, was applied over Europe to evaluate the response of PM2.5 to 50% reduction in emissions of precursor gases (SO2, NH3, NOx, VOCs) and anthropogenic primary OA (POA). A summer and a winter simulation period were used, to investigate also the seasonal dependence of the PM2.5 response to emissions changes. Reduction of NH3 emissions seems to be the most effective control strategy for reducing PM2.5, in both periods, resulting in a decrease of PM2.5 up to 5.1 μg m-3 and 1.8 μg m-3 during summer and winter respectively. The SO2 reduction is more effective during summer, especially over Balkans. The anthropogenic POA control strategy reduces total OA, in both periods, mainly in urban areas close to its emissions sources. The reduction of NOx emissions reduces PM2.5 during the summer period, causing although an increase of ozone (O3) concentration in major urban areas and over Western Europe. Additionally, the NOx control strategy actually increases PM2.5 levels during the winter period. PMCAMx-2008 was also applied over Europe, to quantify the individual effects of the major meteorological parameters on PM2.5 levels. Our simulations cover three periods, representative of different seasons (summer, winter, and fall). PM2.5 appears to be more sensitive to temperature changes compared to the rest meteorological parameters in all seasons. PM2.5 generally decreases as temperature increases, although the predicted response is spatially variable, ranging from -8% K-1 to 7% K-1. The predicted responses of PM2.5 to absolute humidity are also quite variable, ranging from -1.6% %-1 to 1.6% %-1. A decrease of wind speed (keeping constant the emissions), increases all PM2.5 species due to changes in dry deposition (approximately 10%) and dispersion. In addition, the wind speed effects only on sea salt emissions could be significant for PM2.5 concentrations in coastal areas. Increases in precipitation have a negative effect on PM2.5 due to increases in wet deposition. Regarding the relative importance of each of the meteorological parameters in a changed future climate, the projected precipitation changes are expected to have the largest impact on PM2.5 levels, with changes up to 2 μg m-3. PMCAMx-2008 was used as part of the GRE-CAPS modeling system, to investigate the effects of climate change on PM2.5 and O3 levels in Greece. Summertime periods are simulated both for the present (2000s) and the future (2050s). Our results suggest that climate change will generally decrease PM2.5 in Greece, by 1.1 μg m-3 (5%) on average. However the predicted changes are quite variable in space, ranging from -20% to 20%. Higher levels of O3 are predicted in the future over Greece (4.5% on average). The higher future temperatures determine to a large extent the predicted O3 response Finally, the GRE-CAPS was applied over the eastern United States to study the impact of climate change on the concentration and deposition of mercury. Summer and winter periods (300 days for each) are simulated, and the present-day model predictions (2000s) are compared to the future ones (2050s). On average, atmospheric Hg2+ levels are predicted to increase in the future by 3% in the summer and 5% in winter respectively. However, the predicted concentration changes of Hg2+ vary significantly in space, ranging from -20% to 40%. Particulate mercury, Hg(p) has a similar spatial response to climate change as Hg2+, while Hg0 levels are not predicted to change significantly. Mercury deposition is also predicted to change in the future, with variable changes, ranging from -50% to 50%. The predicted response is mainly attributed to the spatially variable changes of rainfall in the future and the accompanying changes in mercury wet deposition. / Η κατανόηση των φυσικών και χημικών διεργασιών της ατμόσφαιρας καθώς και η μελέτη των αλληλεπιδράσεων του κλίματος και των εκπομπών, με τις συγκεντρώσεις των ρύπων (π.χ. ατμοσφαιρικά σωματίδια, όζον, Hg),αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την εφαρμογή αποτελεσματικών στρατηγικών μείωσης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Ένα τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς, το PMCAMx-2008, χρησιμοποιήθηκε για να μελετήσουμε την επίδραση που έχει η μείωση κατά 50% των εκπομπών των κυριότερων πρόδρομων αέριων ενώσεων (SO2, NH3, NOx, ανθρωπογενών πτητικών οργανικών ενώσεων) και των πρωτογενών οργανικών σωματιδίων που προέρχονται από ανθρωπογενείς πηγές (POA), στην συγκέντρωση των ατμοσφαιρικών σωματιδίων διαμέτρου έως 2.5 μm (PM2.5) στην Ευρώπη. Προσομοιώθηκαν δύο περίοδοι (καλοκαίρι και χειμώνας), προκειμένου να ελεγχθεί και η εποχιακή εξάρτηση της απόκρισης των PM2.5. Η μείωση των εκπομπών NH3 φαίνεται να είναι η πιο αποτελεσματική στρατηγική μείωσης των PM2.5, κατά την διάρκεια και των δύο περιόδων, μειώνοντας την συγκέντρωσή τους έως 5.1 μg m-3 το καλοκαίρι και 1.8 μg m-3 τον χειμώνα. Η μείωση των εκπομπών SO2 είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική το καλοκαίρι κυρίως στα Βαλκάνια, ενώ η μείωση των εκπομπών POA μειώνει την συγκέντρωση των οργανικών και τις 2 περιόδους, κυρίως σε αστικές περιοχές. Η στρατηγική μείωσης των NOx μειώνει τα PM2.5 το καλοκαίρι, προκαλώντας ωστόσο αύξηση του όζοντος (O3) στην Δυτική Ευρώπη και τα μεγάλα αστικά κέντρα. Επιπρόσθετα, τον χειμώνα αυξάνει και τα PM2.5 στις περισσότερες περιοχές της Ευρώπης. Το PMCAMx-2008 χρησιμοποιήθηκε επίσης για να μελετήσουμε την επίδραση που έχουν διάφορες παράμετροι της μετεωρολογίας στις συγκεντρώσεις των PM2.5 καλύπτοντας τρεις περιόδους προσομοίωσης (καλοκαίρι, χειμώνας και φθινόπωρο). Τα PM2.5 είναι περισσότερο ευαίσθητα σε αλλαγές της θερμοκρασίας σε σχέση με τις υπόλοιπες παραμέτρους. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση των PM2.5 και τις τρεις περιόδους. Ωστόσο, οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι μεταβλητές και κυμαίνονται από -8% K-1 έως 7% K-1. Μεταβλητές αλλαγές των PM2.5 προβλέπονται και με αύξηση της απόλυτης υγρασίας, που κυμαίνονται από -1.6% %-1 έως 1.6% %-1. Η μείωση της ταχύτητας του ανέμου (χωρίς αλλαγή στις εκπομπές από θαλασσινό αλάτι) αυξάνει τα PM2.5 κυρίως λόγω μείωσης της ξηρής εναπόθεσης (περίπου 10%) και των διεργασιών μεταφοράς. Αντίστοιχα οι αλλαγές στις εκπομπές από θαλασσινό αλάτι (λόγω μείωσης του ανέμου κατά 10%) επηρεάζουν σημαντικά τα PM2.5 κυρίως στις θαλάσσιες περιοχές. Η αύξηση της βροχόπτωσης αυξάνει τον ρυθμό υγρής εναπόθεσης, οδηγώντας σε μείωση της συγκέντρωσης των PM2.5. Με βάση τις εκτιμώμενες αλλαγές της κάθε μετεωρολογικής παραμέτρου για το μέλλον, οι αλλαγές στην βροχόπτωση αναμένεται να έχουν την σημαντικότερη επίδραση στα PM2.5, οδηγώντας σε αλλαγές των συγκεντρώσεων τους έως 2 μg m-3. Για να μελετήσουμε την επίδραση που έχει η κλιματική αλλαγή στις συγκεντρώσεις των PM2.5 και του Ο3, το PMCAMx-2008 χρησιμοποιήθηκε σαν μέρος ενός συστήματος μοντέλων, του GRE-CAPS, το οποίο εφαρμόστηκε πάνω από την Ευρώπη, εστιάζοντας στην Ελλάδα. Η προσομοίωση του κλίματος στο παρόν και το μέλλον έγινε για την εποχή του καλοκαιριού. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως οι συγκεντρώσεις των PM2.5 στην Ελλάδα προβλέπεται να μειωθούν στο μέλλον, 1.1 μg m-3 (5%) κατά μέσο όρο σε όλο το πεδίο εφαρμογής, ωστόσο οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι αρκετά μεταβλητές και κυμαίνονται από -20% έως 20%. Η συγκέντρωση του O3 αυξάνει στην Ελλάδα 4.5% κατά μέσο όρο, με την αύξηση της θερμοκρασίας να καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την απόκριση του στην αλλαγή του κλίματος. Τέλος, το σύστημα μοντέλων GRE-CAPS εφαρμόσθηκε στις ανατολικές ΗΠΑ για την μελέτη της επίδρασης της αλλαγής του κλίματος στην συγκέντρωση και εναπόθεση του υδραργύρου. Η προσομοίωση του κλίματος στο παρόν και το μέλλον έγινε για δύο περιόδους, καλοκαίρι και χειμώνας. Κατά μέσο όρο σε όλο το πεδίο εφαρμογής, η συγκέντρωση του Hg2+ στο μέλλον αυξάνεται κατά 3% το καλοκαίρι και 5% τον χειμώνα. Ωστόσο οι προβλεπόμενες αλλαγές είναι αρκετά μεταβλητές, και κυμαίνονται από -20% έως 40%. Η επίδραση της αλλαγής του κλίματος στην συγκέντρωση των πρωτογενών σωματιδίων υδραργύρου, Hg(p) είναι παρόμοια με εκείνη του Hg2+, ενώ αντίθετα δεν προβλέπονται σημαντικές αλλαγές στην συγκέντρωση του Hg0. Η αλλαγή του κλίματος επηρεάζει σημαντικά και την εναπόθεση του υδραργύρου. Ωστόσο, οι αλλαγές δεν είναι ομοιόμορφες και κυμαίνονται από -50% έως 50%. Η αλλαγή της υγρής εναπόθεσης του Hg, λόγω αλλαγής της βροχόπτωσης, φαίνεται να εξηγεί την απόκριση της εναπόθεσης του Hg, στις περισσότερες περιοχές.

Until recently, organic particulate material was simply classified as either primary or secondary with the primary component being treated in models as nonvolatile and inert. This framework is used to simulate the organic aerosol formation, growth and composition in the eastern United States during the four seasons of the year. The model predictions are evaluated against daily average PM2.5 (particulate matter smaller than 2.5 μm) measurements taken throughout the eastern United States by the Interagency Monitoring of Protected Visual Environments (IMPROVE) and the Speciation Trends Network (STN) monitoring networks. The performance of the model in reproducing organic mass concentrations is average during all four seasons of the year. The agreement between the predicted and observed temporal profiles suggests a reasonable understanding and depiction in the model of the corresponding processes. However, this oversimplified view fails to explain the observed highly oxygenated nature of ambient organic aerosols (OA), the relatively small OA concentration gradients between large urban areas and their surroundings, and the concentrations of OA during periods of high photochemical activity. To address the above issues new primary and secondary organic aerosol modules have been added to a three dimensional chemical transport model (PMCAMx) based on recent smog chamber studies. The new modeling framework is based on the volatility basis-set approach: both primary and secondary organic components are assumed to be semivolatile and photochemically reactive and are distributed in logarithmically spaced volatility bins. The resulting PMCAMx-2008 was applied in Mexico City Metropolitan Area (MCMA) for approximately a week during April of 2003. The model predictions are compared with Aerosol Mass Spectrometry (AMS) observations and their Positive Matrix Factorization (PMF) analysis. The final goal of this work is to provide information to the policy makers regarding the response of fine PM to emission controls. PMCAMx is used to investigate changes in PM2.5 concentrations in response to 50% emissions changes of oxides of nitrogen and anthropogenic volatile organic compounds during July 2001 and January 2002 in the Eastern United States. / Τα ατμοσφαιρικά οργανικά σωματίδια συνηθίζεται να χωρίζονται σε δυο κατηγορίες: πρωτογενή και δευτερογενή. Τα πρώτα εκπέμπονται κατευθείαν στην ατμόσφαιρα ενώ τα δευτερογενή δημιουργούνται με την μεταφορά μάζας αερίων χαμηλής πτητικότητας, που προκύπτουν από την οξείδωση πρωτογενών οργανικών αερίων, στα ατμοσφαιρικά σωματίδια. Ένα τρισδιάστατο χημικό μοντέλο (PMCAMx), βασιζόμενο σε αυτό το διαχωρισμό, χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της σύνθεσης και της μάζας των οργανικών σωματιδίων της ατμόσφαιρας, στις ανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής κατά τη διάρκεια των τεσσάρων εποχών του χρόνου. Οι προβλέψεις του μοντέλου αξιολογήθηκαν έναντι μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν από τα δίκτυα παρακολούθησης IMPROVE και STN στις ανατολικές ΗΠΑ. Η απόδοση του μοντέλου, όσον αφορά τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης των οργανικών ενώσεων κατά τη διάρκεια όλων των εποχών είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική. Ωστόσο, αν και οι προβλέψεις του μοντέλου για τη συγκέντρωση της οργανικής μάζας είναι ενθαρρυντικές, δεν είναι ξεκάθαρο εάν το μοντέλο προβλέπει τις σωστές τιμές για τους σωστούς λόγους. Συγκεκριμένα το μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει την πολύ οξυγονωμένη χημική μορφή των ατμοσφαιρικών οργανικών σωματιδίων όπως αυτή αποτυπώθηκε σε μετρήσεις πεδίου. Για να αντιμετωπιστούν τα ανωτέρω ζητήματα αναπτύσσουμε μια νέα μέθοδο προσομοίωσης των διεργασιών σχηματισμού και χημικής γήρανσης των πρωτογενών και δευτερογενών οργανικών σωματιδίων της ατμόσφαιρας, στο τρισδιάστατο χημικό μοντέλο PMCAMx βασιζόμενοι σε πρόσφατα πειραματικά δεδομένα. Στο νέο αυτό πλαίσιο μοντελοποίησης τόσο τα πρωτογενή, όσο και τα δευτερογενή οργανικά συστατικά θεωρούνται ότι είναι ημιπτητικά και φωτοχημικά ενεργά και κατανέμονται λογαριθμικά σε ομάδες ενώσεων διαφορετικής πτητικότητας. Το βελτιωμένο PMCAMx (PMCAMx-2008) έχει εφαρμοστεί στην ευρύτερη περιοχή της πόλης του Μεξικού για περίπου μια βδομάδα τον Απρίλιο του 2003. Οι προβλέψεις του μοντέλου συγκρίνονται με μετρήσεις φασματογράφου μάζας αεροζόλ και άλλες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της καμπάνιας MCMA-2003. Τέλος το PMCAMx έχει χρησιμοποιηθεί για να μελετηθούν διεξοδικά οι αλλαγές στη συγκέντρωση των οργανικών σωματιδίων διαμέτρου έως 2.5 μm που προκύπτουν από αλλαγές των εκπομπών NOx και VOCs κατά τη διάρκεια των μηνών του Ιουλίου 2001 και του Ιανουαρίου 2002 στις ανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής.

Η σφυρηλάτηση με βολή σωματιδίων (shot peening) είναι μία επιφανειακή κατεργασία που πραγματοποιείται με σκοπό την αύξηση της αντοχής μεταλλικών υλικών και εφαρμόζεται στο τελευταίο στάδιο της γραμμής παραγωγής. Η αύξηση της αντοχής επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων κοντά στην επιφάνεια του υλικού έπειτα από την κρούση σωματιδίων με υψηλές ταχύτητες. Η ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων αυξάνει την αντοχή σε κόπωση, σε εργοδιάβρωση, καθώς και σε άλλες μηχανικές καταπονήσεις και επιτρέπει την μείωση του βάρους σχεδιάζοντας διατομές με μικρότερο πάχος. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη αριθμητική προσομοίωση της κατεργασίας και εξετάζεται η μηχανική συμπεριφορά των υπό κατεργασία υλικών σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης. Συγκεκριμένα η μεθοδολογία που αναπτύσσεται περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου για την προσομοίωση της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων και τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων της στο υλικό. Τα βήματα που ακολουθηθήκαν για την ανάπτυξη του αριθμητικού προτύπου είναι, α) ο χαρακτηρισμός του κράματος αλουμινίου 7449-Τ7651 σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης μέσω της πειραματικής διάταξης Split Hopkinson Bar που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών, β) η ανάπτυξη βοηθητικών επιμέρους αριθμητικών μοντέλων, γ) η ανάπτυξη κινηματικών μοντέλων προσομοίωσης της ροής των σωματιδίων, δ) η ανάπτυξη κριτηρίων και η εφαρμογή τους για τον υπολογισμό του ελαχίστου απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων για την προσομοίωση, καθώς και των θέσεων κρούσης, ε) η ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου πλήρους γεωμετρίας της πλάκας για την κρούση του απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων και στ) η πειραματική επαλήθευση του αριθμητικού προτύπου. Με το αριθμητικό πρότυπο που αναπτύχτηκε υπολογίστηκαν τα αποτελέσματα της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων στο υλικό και επιβεβαιώθηκαν μέσω συγκρίσεων με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Αποτελέσματα της κατεργασίας εκτός από τις παραμένουσες τάσεις αποτελούν και η πλαστική παραμόρφωση, η σκληρότητα, η επιφανειακή τραχύτητα και κατ' επέκταση ο συντελεστής έντασης τάσης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια παραμετρική μελέτη για την επίδραση της διαμέτρου, της ταχύτητας και της γωνίας κρούσης στην ανάπτυξη των παραμενουσών τάσεων. Επίσης το αριθμητικό πρότυπο επαληθεύτηκε και για άλλα μεταλλικά υλικά. / Shot peening is a surface treatment process that is performed to increase the strength of metallic materials and is applied to the last stage of the production line (post manufacturing process). The increase in strength is achieved by the developed compressive residual stresses near the surface and the subsurface of the treated material after the impact of small diameter particles with high speeds. The developed compressive residual stresses increases the fatigue strength, the mechanical performance of the component under stress corrosion cracking (SCC), under higher stresses and allows lighter structure design. This PhD thesis presents a comprehensive numerical simulation of the Shot peening process and includes a comprehensive study of the mechanical behaviour of treated materials under high strain rates of deformation. Specifically, the methodology developed includes the development of a comprehensive numerical model to simulate Shot peening treatment and calculate the results on the treated material. The steps followed for the development of the numerical model are: a) the characterization of the Aluminium alloy 7449-T7651 at high strain rates using a Split Hopkinson Bar apparatus designed and built at the Laboratory of Technology and Strength of Materials, b) the development of auxiliary partial numerical models, c) the development of a kinematic simulation model for the analysis of the flow particles, d) the development and the application of two criteria for the successful calculation of the minimum number of particles that required for the simulation, and the impact positions e) the development of a numerical model describing the full plate geometry for the impact of the minimum number of particles required and f) the experimental verification of the numerical model. The process outcomes and results on the treated material were calculated by the numerical model developed. The numerical results that were calculated for the threaded material were confirmed by comparison with experimental results. Treatment results include the residual stresses, the plastic deformation, hardness, surface roughness, and hence the stress concentration factor. A parametric study on the effect of the diameter, speed and angle of impact to the development of residual stresses was performed. The numerical model was also verified for a number of other metallic materials.